关键词:
孔隙尺度模型
气体扩散层
多孔生物质
铜泡沫
潜热储能装置
摘要:
在多孔介质仿真方法中,宏观多孔介质法具有计算简便的优点,而孔隙尺度建模法能够更准确、详细地表达孔隙空间内的信息。过往关于多孔介质孔隙尺度建模的研究往往面临着孔隙空间难以成像、成像后难以模型化、正交网格模型边界粗糙、孔隙空间信息损失过多等技术难题。为了解决以上难题,本文中提出了能够完整保留多孔介质真实孔隙空间的建模-仿真流程,该流程中的建模过程主要基于分布函数法和图像处理法。基于该流程的三维重构模型经过几何清理操作后,具有清晰明确的边界,可以用来生成适合计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真的网格。这种能够表述真实孔隙空间的模型能够克服过往研究中存在的诸多技术难题,并且能够将分布统计作为多孔介质研究的主要数据分析手段。
不同多孔介质的孔隙尺度差异巨大,涵盖了纳米级到毫米级的范围。多孔介质中很多微小的孔隙难以通过显微镜下的图像识别,因此对不同多孔介质实际的建模方法需要根据尺度与孔隙空间结构特性确定。本研究以多孔介质被广泛研究的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、多孔生物质裂解以及潜热储能装置(Latent Heat Thermal Energy Storage,LHTES)的应用背景为例,说明不同尺度下孔隙尺度实体建模的方法,并对该背景下的多孔介质特性进行详细的分析。
在对PEMFC中气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)的孔隙尺度建模及仿真过程中,使用分布函数建模法,完成了导电碳纸的两类三维空间重构。提出了准确度更高的最大球分布计算方法,并统计了基于最大球分布的孔径分布。
在单相渗透性的研究中,通过计算层间渗透率参数来拟合渗透率K随高度(位置)h变化的计算公式,该公式可用于对宏观多孔介质模型的修正。在两相流动的部分,研究了碳纸中离散液滴和平整液膜在不同接触角下的自分裂情况。还研究了不同压差和疏水性工况下GDL中的两相驱替特性。结果表明:
当疏水性GDL充满直径为140μm的水滴时,这些水滴迅速分裂成不同大小的小水滴。当疏水性GDL充满厚度为140μm的液膜时,液膜在零压差下很难通过分裂产生气体通道。在160~o接触角的疏水性下,10MPa的压差可以使水分完全入侵,而接触角降低为118~o时,1×10~5Pa的压差下,水分就几乎能够达成完全侵入。当水分侵入到极限、难以突破之后,两侧的压差会使进入的水分形成回流。在这类工况下,流体中的驱动力,即压差越小时,流体域中的水力扭转程度(水力扭转度的绝对值)越大。
在对以电加热卷烟(Electrically Heated Cigarettes,EHC)为例的多孔生物质建模及热裂解仿真过程中,通过图像处理识别多孔介质骨架轮廓的方式,完成了EHC含烟草段的孔隙尺度建模。通过实验测定了中心发热体温度以及抽吸循环中的进出口压差(流动阻力),并完成了模型验证。将热解动力学模型与流体仿真方法、多孔介质孔隙尺度建模方法相结合,更准确的计算了固体域和气体域的温度分布与变化、组分的释放与传输。EHC微观结构的孔隙尺度模拟结果是高度可靠的。EHC的孔隙尺度模型可以准确、完整地描述流动、传热和成分释放。对EHC内部结构信息的完整描述也将促进对烟草片的堆积、排列、机械性能、通过流体和热解机制的研究。结果表明:
EHC计算域中的温度逐渐波动上升,然后趋于稳定,温度上升的速度逐渐减慢。流体域中孔隙较大、孔隙间连通性强的部分,流动阻力较小,流速较快。整个含烟草段的热阻很大。中心加热元件的温度接近600K,烟草和流体区域的平均温度在稳定后低于460K。高温区主要集中在靠近发热体的地方。烟草中的尼古丁、甘油和丙二醇的释放率对温度的敏感性有明显差异。其中,丙二醇在低温和高温下均有较快释放速率,而甘油的释放速率在高温和低温条件下差异较大。
在对潜热储能装置传热强化的分析与研究中,通过直接建模法创建了铜泡沫十四面体对称结构的理想单元模型,该模型考虑了开孔泡沫骨架内部的封闭孔隙。随后对铜泡沫单元在浮升力与传热方向相同情况下的强化传热特性进行了分析,包括传热系数、温度、液相率等。由于热管的传热效率过高,因此在潜热储能系统宏观整机的背景中,更适合使用宏观均质法研究热管嵌入对潜热储能系统的传热强化、热量传输分配机制。提出了潜热比例、潜热比例差等评估潜热储能系统中热量传输分配的评估参数,并对多层嵌入式热管和仿生热管模型进行了结构优化。对潜热储能装置的研究结果表明:
在铜泡沫单元中,当浮升力的方向与传热方向相反时,浮升力的作用反而会减缓融化的整体进程。即使是对铜泡沫单元对PCM的强化传热过程中,材料融化带来的浮升力作用也是不可忽略的,当浮升力方向与传热方向相同时,浮升力的效果更加明显。铜泡沫的高导热率使其能够